巷道掘进中超前预报综合决策系统

侯群磊

(河南煤业化工集团永煤公司，河南 商丘 476000)

我国煤炭资源丰富，然而目前90%以上的煤炭是地下开采，露天开采的储量很少，因此，对煤矿巷道的安全生产掘进工作提出了更高要求。因为巷道掘进是一项地下隐蔽工程，地质条件复杂且不易控制，易发生重大伤亡事故，造成不可估量的损失，而如何确保安全生产，杜绝隐患是目前煤矿迫切需要解决的问题。地下煤矿巷道掘进过程中主要的地质灾害有地下突水、岩爆、塌方以及围岩大变形等，这些地质灾害直接威胁生产人员生命安全，甚至引发次生灾害造成更大的损失，如发生剧烈岩爆会引起地震，造成地表建筑破坏等，以至于危害到地面工作人员安全。王家岭煤矿透水事故充分体现了巷道掘进中超前地质预报的重要性，而在巷道掘进生产过程中有效预防地质灾害的方法即对地质灾害进行准确预测，并根据预测结果及时反馈，以采取有效安全措施，这对于煤矿安全生产具有重要意义，也成为众多学者致力研究的课题。

1 系统设计的目标和数据信息来源

1.1 系统设计的目标

系统是以煤矿巷道生产掘进中地质灾害信息数据管理为研究对象，以煤矿超前预报的地质综合分析技术为指导［2］，在全面收集巷道工程地质勘察资料以及设计资料的基础上，采用野外调研与室内试验分析相结合、岩体力学与工程地质相结合、定性与定量分析评价相结合、系统评价与国家统一规范相结合的思想，建立一套科学、合理的巷道生产掘进中超前地质预报综合分析系统，其设计的具体目标如下:

1)系统主要实现设计、生产掘进阶段信息以及超前预报数据的管理，实现对巷道断面信息(包括地质信息以及超前预报信息等)的综合查询与分析，预报生产掘进过程中围岩类别、岩爆、围岩大变形、地下突水等煤矿灾害。

2)利用CLIPS开发专门的专家系统并结合计算机技术来实现煤矿巷道生产掘进中灾害的综合分析、预报及反馈，针对某项巷道生产掘进工程地质灾害信息进行规律研究及决策分析，并实现各类信息的统一管理和共享，以求实现煤矿安全高效生产。

1.2 系统设计的数据信息来源

1)设计阶段数据信息，主要包括工程勘查概况、区域地质概况、水文地质工程地质条件、岩石的物理力学性质、开采技术条件等基础信息。

2)巷道生产掘进中信息，主要包括生产掘进地质信息记录、地应力测试资料及围岩监测数据等动态变化数据，开挖后平面展示图等图件信息。

3)超前地质预报信息，主要包括地质雷达GPR探测数据、瞬变电磁探测数据、超前钻探数据等超前勘探资料。

2 系统设计

2.1 系统功能模块设计

根据系统所实现的功能的不同，可将系统分为:基础信息管理模块、数据录入及编辑模块、工程地质、水文地质及开采条件预报模块、灾害决策预报及应急处理模块。各模块的功能如下:

1)基础信息管理模块，即基础信息管理子系统，该系统主要用于管理基本的用户信息，防止数据被恶意修改删除，以保证数据的完整性，为后续提供准确的预报结果奠定基础。

2)数据输入及编辑模块，要对巷道生产掘进中的灾害进行预报预测，首先要获得大量的基础数据，系统能否做出合理准确的决策预测取决于系统收集到的数据的可靠性，输入的数据包括室内物理力学试验数据、物探解译资料以及超前钻探等资料存储于数据库中。本模块还提供数据的编辑及打印功能，方便用户调用修改。

3)工程地质、水文地质及开采条件预报模块。本文对工程地质、水文地质及开采条件的预报，主要是通过处理分析用户输入的数据来进行预报，主要预报岩石性质，含隔水层情况，断层破碎带的厚度位置、充填情况以及煤层厚度倾角等。通过系统处理分析将得到的结果与原有数据进行再对比分析，将取得的综合结论替换原有结论存储于数据库中，辅助后期的决策。

4)灾害决策预报及应急处理模块，在获得巷道生产掘进中工程地质水文地质以及开采条件，结合物探、钻探等超前勘探资料以及室内物理力学试验参数，便可以对灾害的发生情况进行决策预报，主要预报:岩爆、围岩大变形、塌方以及突水，目前系统主要实现了对岩爆和突水两种灾害的综合决策预测，根据预测结果系统列出防治措施，并综合多种防治措施提供几种最优防治措施，供用户选择或作为参考。

2.2 系统总体结构设计

本系统主要针对煤矿生产部门，利用先进的计算机技术结合PBR/CBR专家系统，建立一套科学、合理的煤矿巷道生产掘进超前地质预报计算机辅助决策系统，采用统一的数据模式，软件设计标准，其系统的总体结构示意图见图1。

图1 系统总体结构设计示意图

3 系统实现技术路线

目前，系统主要实现岩爆预测与地下突水预测，即以岩爆预测为例来说明系统具体的实现方法，岩爆是煤矿地下深部巷道掘进过程中，围岩发生剧烈破坏的现象，岩爆不仅会威胁工作人员的生命安全，更有甚者会引发地震，高强度的岩爆烈度可达7～8度，震级在3～4.6级以上。目前普遍采用的预测方法有:单轴抗压强度UCS;波兰A.Q.奇代宾斯基提出Wet.弹性应变能指数;岩石脆性指数法，岩石脆性越高，越易发生岩爆;我国“工程岩体分级标准”规定了可能发生岩爆的极高地应力与高地应力的判别标准;应力强度比指数法;模糊综合评判法等，本文采用人工智能的专家系统，应用CLIPS进行开发，通过多影响岩爆的各个主控因素分析并结合现场实际条件进行综合决策。系统实现的技术路线图见图2。

4 结语

巷道掘进是一项地下隐蔽工程，地质条件复杂且不易控制，易发生重大伤亡事故，造成不可估量的损失，而如何确保安全生产，杜绝隐患是目前煤矿迫切需要解决的问题。本文以煤矿巷道生产掘进中地质灾害信息数据管理为研究对象，以煤矿超前预报的地质综合分析技术为指导，在全面收集巷道工程地质勘察资料以及设计资料的基础上，采用野外调研与室内试验分析相结合、岩体力学与工程地质相结合、定性与定量分析评价相结合、系统评价与国家统一规范相结合的思想，旨在建立一套科学、合理巷道生产掘进中超前地质预报综合分析系统，为煤矿巷道生产掘进中灾害预测与防治提供科学的决策依据。

图2 系统技术路线图

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